固体氧化物燃料电池阳极材料的制备和性能研究新进展

　　固体氧化物燃料电池阳极材料的制备和性能研究新进展程继贵邓丽萍孟广耀21.合肥工业大学材料科学与工程学院。合肥230009；2.中国科学技术大学材料科学与工程系合肥23，26响。概述了8，阳极材料的最新研宄动态。重点对以钇稳定氧化锆32掺杂氧化铈，以及镓酸镧3.，3作电解质时80阳极材料的选择。不同结构类型8，0中阳极的制备方以及阳极的热学电学及电化学性能的研宄现状进行总结，关键词固体氧化物燃料电池；阳极材料；制备；性能中分类号丁19.4文献标识码人文章编号燃料电池可以把燃料的化学能直接转变为电能，是种高效清洁的能源1.在当今世界，能源危机和环境污染的日趋严重使得发展燃料电池技术更具有重大的现实意义。在各种燃料电池中，固体30由于具有能量转换率高燃料可选范围广不需用贵金属催化剂以及全固态结构带来的操作方便等优点而被认为是最具发展前途的燃料电池，并被认为是十叶纪的绿色能减2.

　　30的核心部件是由阴极电解质阳极构成料阴阳极及电解质层材料的性能直接决定着整个8吓的件能。传统的501采用钇稳定，化锆152作屯解质由在中低温下电导韦较低电池必须在800，以上的温度下操作才能获得较高的功率输出。高的操作温度+仅对屯池的连接密封材料的选择提出了苛刻的要求，而且加剧了电池组件间副反应的发生，使电池的成本居高不下，从而限制厂其市场化的发展。因此。降低50吒的操作温度，开发可在中温500750，下操作的30成为301的发展向，为降低3肌的操作温度，较为有效的途径有两条是选择在中温下即具有较高氧离子电导率的新型电解质材料，另是改变电池的结构设计。制备薄膜化的电解质层，以降低电池的阻，从而提高屯池的功率输4.

　　多层，中电解质材料和电极叨阳极材料虽然发挥着不同的功用，但有着密切的联系。迄今为止，国内外对30的电解质材料，特别是用于中温3，男滦偷缃庵什牧系闹票负托阅芗航，了大量的研究4而随着新型和薄膜化电解质材料的问世，必需开发出与之相应的电极材料，并对电池的结构进行合理的设计。由干5吓对阳极村料有着系列的性能要求，而阳极的性能除与其组成有关外，还受到其微结构制造工艺及电池结构等的强烈影响，闪此。近些年来，国内外对80阳极材料都己开展了许多研究工作，并取得了丰富的研允成果1SOFC阳极的性能要求及村料选择作为41的阳极材料，必须满足系列的要有足够的电子电导率，同时具有定的离子电导率以扩大电极反应面积；在还原性气氛中可长时间工作，保持尺寸及微结构稳定，无破坏性相变；与屯解。质热膨胀匹配，不发生化7反应具有多孔结构，从而保证反应气体的输运；对阳极的电化学反应有良好的催化活性。

　　基金项目国家自然科学基金20071029；科技部基金项目2000026409为了满足这些要求，目前普遍采用金属陶瓷作为30，的阳极材料，其中的金属常采用对出等燃剌气体几前交高催化心十的过股金，如铁。钴镍等，而1极中的陶瓷稂分侦都采与电解质村料相同的成分，以匹配阳极与电解质层的热膨胀系数。

　　在兑电解质的50陀中，普遍采用犯3乙作为阳极材料，其中的即除了提供阳极中的电流通道外，还对2等燃料气体具有良好的催化活性。

　　阳极中的5方面可以使其与电解质层具有相近的热膨胀系数，增加1极在屯解质上的附着生，另，方他可以防止颗粒的过分烧结而导致其活性降低；此外，义还可以在1极提供离子电导组分，增大气相电解质金屈相相界丁，即电极反应的面积。

　　近些年来，以具有较高氧离子电导率的掺杂6，2，作为中温30，牡缃庵什牧弦，鹆，国内外的高度重视。随着0，电解质材料的采用。5肌的1极也相应地采叫0村料。以减少5吓在制造和使用过程1极和屯解质层之间，02在还原性燃料气体中可被部分还原以4+，因此，与，以阳极相比，1阳极屯极反应的面积以进步，大，由于接农用碳氢化合物及液体燃料作为3，娜剂希，谘艏，诓渴迪帜谥卣，蛑苯，电化学氧化，可以省却复杂的外重整设备，有效地降低整个30，某杀荆，蚨，谑导视τ弥校，乇鹗窃，移动电源方面具有重要的意义。但是，当采用这些燃料时，存在于阳极中的化会促进阳极积碳反应的发生。导致阳极的堵塞。采用，等过渡金属来代替化亦面临同样的问。所以寻找能够直接用于碳氢化合物和液体燃料作为燃料的3，的阳极材料引起了国内外的重视。近期的研宄结果明，用低成本的金属以部分或全部代替阳而制备出的3戍，鞍2阳极衬料付种故贫化合物的直接电化学氧化具有良好的催化活性，同时可明显减少积碳反应的发生12此外。由厂人多数氧化物都不易导致阳极的积碳，寻求某些氧化物来代替阳极中的金属也引起了人们的重视，但这些氧化物必须具有足够高的电子电导率，并且在还原性气氛中具有足够的稳定性。

　　在探索中温3，旱牡缃庵什牧鲜保，哂懈祁，0添等的材料因具有较高的氧离子电导率也受到了人们的，但1；15或0等作为解质材料时，阳极的选择较32或0，作电解质时更为困难，因为此时若仍用几33，3江50河作阳极，在电池制造和操作时，阳与03会发生化学反应，生成导电性很差的3阳，3相，从而导致阳极性能的持续下降虽然在阳极中采用沈代替1；以有效地降低屯极的极化，并可避免与，3间的反应，但采用沉，作阳极仍会导致极。10.515；肘电解1幻间的接触与反应。近期的研究结果显，通过控制阳极的微结构，在面均匀包裹层0，粒子，丁以防止彡；135；河间的接触和反阳极间引入层，过渡层，也可以有效防止义与间的接触和反应提屯池性能似足与，3在较湍度，50，共烧时仍有发生反应的可能性。因此，对于以3或掺杂3，3作电解质材料的500，寻求与其相匹配且具有良好催化活性的阳极材料仍站亟待解决的问= 30阳极的制备方法迄今为止。对3队阳极的研宄大多仍处于实验室阶段，在这些研允汇作中，没0，阳极以0和兑或0，粉末为原料，通过压制成形并烧结，首先得到037003，其中的0在电池工作时。迎过燃料气体的在位还原反应再转变成金属义当前。较的制造成木严重制约5肌市场化的进程，所以保索30材料的低成本制备技术成为3，芯康娜鹊阒，弧S捎诔0，旱闹圃旆，法与电池的结构设计密切相关，而目前己有多种型知代的金属陶瓷阳极也会试采了多种厅法传统的以作屯解质的5吓常采用电解质囟支撑的电池结构。此种结构5爪的多层膜中电解质层较厚，而阳极层相对较薄。在此情况下，032阳极的制备既可以采用涂层方法，如料浆涂覆法丝网印刷法等18，也可采用沉积方法，好喷舰相淀，1例耐燃料。

　　电池技术领先地位的美国，8出早则叱电气公司用料浆涂覆和烧结法制备管状30的阳极燃料极，所衍电池的功率密度可达0.18，2，单屯池，喷涂法制备管式30的阳极，成本低于贾只兄，艺，目前1述成10的爪发电系统。而德国58公司米用丝网印刷法制备平板0.671.电池梭块的功率已超过20与电解质自支撑结构相比，阳极支撑的平板式5.吓0的1吧多层膜中以阳极作为支撑体电解质层可以实现薄膜化，电池内阻较低，利于降低电池的操作温度，保持较的功韦输出，因此此种构型全球约70的3，芯康ノ患，杏谄桨迨匠0.61公。本富士公司。澳火利。陶瓷燃料屯池有限公美内7831 61俗18，公司和，10加家实验校，约暗ぢ，只；8，国家实验室21.由于平板式30结构多孔金属陶瓷1极以整的支撑沐，因此对其性能，特别是力学性能等提出了更高的要求，在此情况6阳极支撑体般必须具有定的厚度几百微米至毫米级。而在制备此种阳极支撑体厚膜时，国内外都己尝试采用了多种方法，如流延法22电化学气相淀积法23等，其中流延法由于可以以较低的成本制得大面积的陶瓷膜因而具有突出的技术和经济优势24.目前国际上有许多公司。如澳人利，瓷燃料电池有限公司瑞士3.公司等都是首先采用流延法制备出阳极支撑体随后再在其制备电解质层和阴极层，最终得到完整的，4结构，我们采衫层流延法来制备以0多孔陶瓷阳极支撑薄脱，0电解质的中温平板式8也取得了较好的试验结果21 33作阳极材料的性能研究近些年，在付用于⑷的金属陶瓷阳极的制备工艺进行探索的同时，对阳极的微结构及电学热7电化学，性能与制备艺的关系，以及阳极的组织和性能对整个300性能的影响等都进行了许多研究，从而为500的研究和汗发提供了有益的在纪金属陶瓷中存在着两种导电机制，艮口32的离子电导和的电子电导；阳极的电导率在的体积含量为30左右存在阀值当冗含量低于30时，离子电导占主导地位，而当，含量高于30时，电子电导占主导地位，此时阳极的电导率较离子电导占主导地位时提高个数量级以上虽然提合4有利于提1阳极阳极的热膨胀系数也增加2因而在电池制造和工作时，极与电解质以1的热应力也增加，所以。

　　纪阳极般采用的含量为35左右。

　　研究结果还明，阳极的微结构对其性能也有着十分重要的影晌2而在以通常的粉末压制烧结1艺制济兄阳极，以迎过控制原料粉体的粒度形状等来控制阳极的微结构，例如，控制原料粉体中32与0的颗粒尺寸在45比1左右32平均粒度270平均粒度0.6，可以使阳极具有最低的过电位，而且经过长期的运行也没有太大的变化29.此外，阳极微结构的稳定性对其性能也有济明显的影响。例如，1泣极，在定的气氛中进行热处理后，其颗粒粗化，结果发现其电导率明显降低3随着屯解质的1世，以1金属陶瓷阳极的性能也进行了定的研宄，并得到了与纪类似的研宄结果。例如，以喷雾热解法制备出入似30，艏，泄匦阅懿馐缘慕峁，砻鳎，50阳极中的含量阳极的微结构以及1极的制备工艺条件，如烧结温度等都对阳极乃至整个电池的性能有着极为重要的影响30.

　　4结语固体氧化物燃料电池作为种高效清洁的能源装置己4起阳内外的高度重视，作为5的关键部件之，胗的忭能对整个肌的朴肺着十分重要的影响。虽然国内外对500阳极的材料选择制备工艺及其微结构和性能等已进行了定究仍集中于兑体系，由于阳极的材料选择及性能等与电池的结构设计和制造工艺等密切相关，我们应加强对可应用于不同电解质体系和不同结构类型爪的阳极衬料及其制备1艺的研宄，以进3孟广耀，刘皖育，彭定坤。新型固体燃料电池十世纪的绿色能源。中国科学院院刊，1998，135344.

　　6蒋凯，张秀英。郭崇峰。固体氧化物燃料电池中的电解7夏正才。唐超群。潘小龙等。固体氧化物燃料电池材料研2，戴学刚。朱永平，胡万起等。固体氧化物燃料电池结构和制造工艺人。80香山科学会议论文集北2ll义休试化物燃料电池以新发，1上接第17页大时塑性变形功也会引起绝热温升，最终使其亚结构接近热加工动态回复组织。

　　4结论冲击波加载的工业纯铁宏观塑性变形较大，微观分析明其变形机制不同于准静态加我，塑忭腽形过程中冲击波绝热温升和亚结构的不稳定性使位错不断进行重新排列，应变较大时塑性变形功也会引起绝热温升，致使其亚结构己接近热加工动态回复组织，这种复杂的效应仲喂性变形能力